CN219181180U - 一种新型高压大电流电能截止电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型高压大电流电能截止电路，属于电力电子技术领域，该截止电路包括开关驱动电路，开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极，当实际电流过大、或功率器件电压异常、或外部出现故障时，开关驱动电路能够快速关断功率器件，与现有保护电路相比，该电路的反应时间快，能够在负载发生短路的十微秒内,完成电能的快速分断，有效的保护设备和防止故障的进一步扩大。

Description

一种新型高压大电流电能截止电路

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，尤其涉及一种新型高压大电流电能截止电路。

背景技术

在电力电子测试设备和实际应用中，特别是高电压大电流的应用中，由于负载特性的变化及不可预计的负载特性，经常出现负载短路的情况，现有技术中，普遍为电路配置了保护装置，当电路发生短路时，供电***的保护装置，会分断供电线路，保护设备防止故障进一步扩大。

目前，常用的保护电路的动作时间一般在几十毫秒到上百毫秒的时间，该动作时间对于具有储能器件(如电容器)和功率较大的应用***无法满足实际需求，因为，在高压、大电流、大功率电路中即使短路几十毫秒，也可能产生巨大的电路故障，因此，如何提升高压大电流电能截止器的响应速度，在在负载发生短路的十微秒内完成电能的快速分断成为了该技术领域的技术难题。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型采用新型电路能够在负载发生短路的十微秒内,完成电能的快速分断，有效的保护设备和防止故障的进一步扩大。

本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：

一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，包括开关驱动电路，所述开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，所述开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极；

所述电流保护电路采集设定保护电流值和实际电流值，当实际电流值等于或大于设定保护电流值时，电流保护电路输出电流保护信号；

所述光信号触发电路接收到外部触发控制信号，当高速光电耦合器点亮时，光信号触发电路输出正常的触发脉冲信号；

所述器件特性跟踪检测电路采集功率器件的栅极电压、集电极电压和发射极电压，当电压异常时，器件特性跟踪检测电路输出状态保护信号。

优选的，所述电流保护电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和R-S触发器，其中：所述第一运算放大器的正输入端采集设定保护电流的数值，第一运算放大器的负输入端连接第一运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的正输入端采集实际电流的数值，第二运算放大器的负输入端连接第二运算放大器的输出端；所述第三运算放大器的正输入端连接第一运算放大器的输出端，第三运算放大器的负输入端连接第二运算放大器的输出端，第三运算放大器的输出端连接R-S触发器的输入端。

优选的，所述器件特性跟踪检测电路由单稳延时器、触发整形器、高速信号采样保持电路、运算放大器、非门电路和比较器芯片组成。

优选的，所述光信号触发电路包括高速光电耦合器。

优选的，还包括或非门和与门电路，其中：所述或非门的输入端分别连接R-S触发器的输出端和器件特性跟踪检测电路的输出端；所述与门电路的输入端分别连接或非门的输出端和光信号触发电路的输出端，与门电路的输出端连接开关驱动电路的输入端。

优选的，所述开关驱动电路包括脉冲功率放大电路、第一三极管、第二三极管、第一场效应管、第二场效应管、以及信号电阻和输出电阻，其中：所述脉冲功率放大电路的输入端连接与门电路的输出端；所述脉冲功率放大电路的输出端通过信号电阻分别连接第一三极管的基极和第二三极管的基极，第一三极管的集电极通过电阻连接正电源，第一三极管的发射极连接第二三极管的集电极，第二三极管集电极通过电阻接负电源；所述第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极互连、并连接第一三极管的发射极，第一场效应管的漏极通过电阻连接电源，第一场效应管的源极连接第二场效应管的源极，第二场效应管的漏极接负电源；所述第一场效应管的源极互连第二场效应管的源极后、通过输出电阻连接功率器件的栅极。

实用新型的一种新型高压大电流电能截止电路具有以下有益效果：

该截止电路包括开关驱动电路，开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极，当实际电流过大、或功率器件电压异常、或外部出现故障时，开关驱动电路能够快速关断功率器件，与现有保护电路相比，该电路的反应时间快，能够在负载发生短路的十微秒内,完成电能的快速分断，有效的保护设备和防止故障的进一步扩大。除了以上特点之外，新型高压大电流电能截止电路可以根据不同器件的特性状态自动完成保护功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的实施例示意图；

图2为本实用新型的电源整体结构示意图；

图3为本实用新型的器件特性跟踪检测电路示意图；

图4为本实用新型中通态电流与导通电压的关系示意图；

图5为本实用新型中器件触发电压与温度的关系示意图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1至图5所示，一种新型高压大电流电能截止电路包括开关驱动电路，开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极G，实际工作时，当开关驱动电路接收到故障信号后，开关驱动电路可以在负载发生短路的十微秒内，控制栅极G完成电能的快速分断，有效的保护设备和防止故障的进一步扩大。

需要说明的是，电流保护电路、光信号触发电路和器件特性跟踪检测电路中，电流保护电路是必要技术，其余，光信号触发电路和器件特性跟踪检测电路可以选配。

图中，电流保护电路采集设定保护电流值和实际电流值，当实际电流值等于或大于设定保护电流值时，电流保护电路输出电流保护信号；光信号触发电路接收到外部触发控制信号，当高速光电耦合器U1点亮时，光信号触发电路输出正常的触发脉冲信号；器件特性跟踪检测电路采集功率器件的栅极G电压、集电极C电压和发射极E电压，当电压异常时，器件特性跟踪检测电路输出状态保护信号。

本实施例中，电流保护电路包括第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、第三运算放大器U5和R-S触发器U6，其中：第一运算放大器U3的正输入端采集设定保护电流的数值，第一运算放大器U3的负输入端连接第一运算放大器U3的输出端；第二运算放大器U4的正输入端采集实际电流的数值，第二运算放大器U4的负输入端连接第二运算放大器U4的输出端；第三运算放大器U5的正输入端连接第一运算放大器U3的输出端，第三运算放大器U5的负输入端连接第二运算放大器U4的输出端，第三运算放大器U5的输出端连接R-S触发器U6的输入端。

需要说明的是，保护电流值和实际电流值通过差分放大电路进入到R-S触发器U6，完成信号瞬时的锁存功能，当实际电流值等于或大于设定保护电流值时，运算放大器U5的输出端变为高电平，R-S触发器U6可快速将信号状态锁存，同时R-S触发器U6输出端变为高电平，输出电流保护信号。如要撤销过流信号，必须通过保护复位按钮给R-S触发器U6进行复位，功率器件才能恢复正常触发工作。

如图3中，器件特性跟踪检测电路由CD4098型单稳延时器、CD4523型触发整形器、AD582型高速信号采样保持电路、LM318型运算放大器、CD4001型非门电路、LM311型比较器芯片组成，图中，AD582型高速信号采样保持电路的输入端采集集电极C电压和发射极E电压，AD582型高速信号采样保持电路的输出端通过LM311型比较器芯片连接CD4001型非门电路，同步检测信号通过CD4098型单稳延时器、CD4523型触发整形器输送至LM318型运算放大器，发射极E电压和过流保护-Vc设定值以及短路过流-Vc设定值通过LM318型运算放大器、CD4001型非门电路连接CD4001型非门电路，CD4001型非门电路的输出端为器件特性跟踪检测电路的输出端。

实际工作时，器件特性跟踪检测电路采集功率器件的栅极G电压、集电极C电压和发射极E电压，当电压异常时，器件特性跟踪检测电路输出状态保护信号。例如：基于功率器件的触发电压V_GE和温度T曲线关系判断功率器件的当前工作温度是否正常，触发电压V_GE和温度T的曲线图为功率器件数据手册的技术资料，触发电压V_GE与温度的关系可以看出，温度与器件的触发电压有密切的依赖关系，对相同的导通电流，器件的触发电压不同，温度低，触发电压高，温度高，触发电压低，触发电压与温度具有负的温度系数，如图所示，在200安电流时，低温(25度)时约为10伏，高温(125度)约为9伏，因此根据触发电压的温度特性，可间接监测器件的工作温度，具有快速的温度响应特性,根据触发栅极电压与温度的关系，可利用该特性，设计动态***件结温变化的温度跟踪单元。具体的，器件特性检测电路输出的信号是一个高低电平信号，这个信号与电流保护信号经过逻辑门或非门互锁用来控制被保护器件的栅极信号。

本实例中，光信号触发电路包括高速光电耦合器U1，高速光电耦合器U1的输入端是外部触发控制信号。具体的，光触发信号为外部提供的，在正常工作时，该信号控制被保护器件的正常开关，当发生保护时通过保护截止器的其它电路快速将被保护器件的触发脉冲进行封锁。

本实施例中，还包括或非门U8和与门电路U2，图中，或非门U8的输入端分别连接R-S触发器U6的输出端和器件特性跟踪检测电路的输出端；与门电路U2的输入端分别连接或非门U8的输出端和光信号触发电路的输出端，与门电路U2的输出端连接开关驱动电路的输入端。

需要说明的是，或非门U8的两个输入端，一个为过流保护输入端，另一个为功率器件状态保护输入端，电路正常时，两个输入端的状态为低电平。与门电路U2的两个输入端，一个为光耦接收到的正常的触发控制信号，另一个为U8输出的故障综合信号，电路正常时，U8输出端为高电平，通过与门电路U2的逻辑运算，U2的输出端输出正常的触发控制信号。当U8的输入端任何一端为高电平时，即电路出现过流或器件状态报警，U8的输出端变为低电平，通过U2与门的逻辑运算，U2输出为低电平，可快速将被保护器件的触发脉冲进行封锁。

本实施例中，开关驱动电路包括脉冲功率放大电路U9、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一场效应管Q3、第二场效应管Q4、以及信号电阻R8和输出电阻R5，其中：脉冲功率放大电路U9的输入端连接与门电路U2的输出端；脉冲功率放大电路U9的输出端通过信号电阻R8分别连接第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1的集电极通过电阻连接正电源，第一三极管Q1的发射极连接第二三极管Q2的集电极，第二三极管Q2集电极通过电阻接负电源；第一场效应管Q3的栅极和第二场效应管Q4的栅极互连、并连接第一三极管Q1的发射极，第一场效应管Q3的漏极通过电阻连接正电源，第一场效应管Q3的源极连接第二场效应管Q4的源极，第二场效应管Q4的漏极接负电源；第一场效应管Q3的源极互连第二场效应管Q4的源极后、通过输出电阻R5连接功率器件的栅极G。

需要说明的是，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一场效应管Q3、第二场效应管Q4组成二级驱动电路的作用放大驱动信号，增加驱动脉冲的驱动能力。其截止电路反应时间快，能够在负载发生短路的十微秒内,完成电能的快速分断。由于该电路主要由快速的模拟芯片组成，或非门U8的两个输入端，一个为过流保护输入端，另一个为功率器件状态保护输入端，电路正常时，两个输入端的状态为低电平，U8的输出状态为高电平；当出现故障时U8的输出端快速翻转为低电平，信号的延时时间大概为1uS。与门电路U2的两个输入端，一个为光耦接收到的正常的触发控制信号，另一个为U8输出的故障综合信号，当电路出现过流或器件状态报警时，U8的输出端变为低电平，通过U2与门的逻辑运算，U2输出为低电平，通过第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一场效应管Q3、第二场效应管Q4组成二级驱动电路可快速将被保护器件的触发脉冲进行封锁，延迟时间约4-5uS，通过上述模拟电路，可有效地将负载短路时的相应时间控制在十微妙以内。

需要进一步说明的是，截止电路包括开关驱动电路，开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极，当实际电流过大、或功率器件电压异常、或外部出现故障时，开关驱动电路能够快速关断功率器件，与现有保护电路相比，该电路的反应时间快，能够在负载发生短路的十微秒内,完成电能的快速分断，有效的保护设备和防止故障的进一步扩大。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，包括开关驱动电路，所述开关驱动电路的输入控制信号由电流保护电路、光信号触发电路、器件特性跟踪检测电路中的一种或多种电路组合提供，所述开关驱动电路的输出执行信号传输至功率器件的栅极(G)；

所述电流保护电路采集设定保护电流值和实际电流值，当实际电流值等于或大于设定保护电流值时，电流保护电路输出电流保护信号；

所述光信号触发电路接收到外部触发控制信号，当高速光电耦合器(U1)点亮时，光信号触发电路输出正常的触发脉冲信号；

所述器件特性跟踪检测电路采集功率器件的栅极(G)电压、集电极(C)电压和发射极(E)电压，当电压异常时，器件特性跟踪检测电路输出状态保护信号。

2.根据权利要求1所述的一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，所述电流保护电路包括第一运算放大器(U3)、第二运算放大器(U4)、第三运算放大器(U5)和R-S触发器(U6)，其中：

所述第一运算放大器(U3)的正输入端采集设定保护电流的数值，第一运算放大器(U3)的负输入端连接第一运算放大器(U3)的输出端；

所述第二运算放大器(U4)的正输入端采集实际电流的数值，第二运算放大器(U4)的负输入端连接第二运算放大器(U4)的输出端；

所述第三运算放大器(U5)的正输入端连接第一运算放大器(U3)的输出端，第三运算放大器(U5)的负输入端连接第二运算放大器(U4)的输出端，第三运算放大器(U5)的输出端连接R-S触发器(U6)的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，所述器件特性跟踪检测电路由单稳延时器、触发整形器、高速信号采样保持电路、运算放大器、非门电路和比较器芯片组成。

4.根据权利要求1所述的一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，所述光信号触发电路包括高速光电耦合器(U1)。

5.根据权利要求1所述的一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，还包括或非门(U8)和与门电路(U2)，其中：

所述或非门(U8)的输入端分别连接R-S触发器(U6)的输出端和器件特性跟踪检测电路的输出端；

所述与门电路(U2)的输入端分别连接或非门(U8)的输出端和光信号触发电路的输出端，与门电路(U2)的输出端连接开关驱动电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种新型高压大电流电能截止电路，其特征在于，所述开关驱动电路包括脉冲功率放大电路(U9)、第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第一场效应管(Q3)、第二场效应管(Q4)、以及信号电阻(R8)和输出电阻(R5)，其中：

所述脉冲功率放大电路(U9)的输入端连接与门电路(U2)的输出端；

所述脉冲功率放大电路(U9)的输出端通过信号电阻(R8)分别连接第一三极管(Q1)的基极和第二三极管(Q2)的基极，第一三极管(Q1)的集电极通过电阻连接正电源，第一三极管(Q1)的发射极连接第二三极管(Q2)的集电极，第二三极管(Q2)集电极通过电阻接负电源；

所述第一场效应管(Q3)的栅极和第二场效应管(Q4)的栅极互连、并连接第一三极管(Q1)的发射极，第一场效应管(Q3)的漏极通过电阻连接正电源，第一场效应管(Q3)的源极连接第二场效应管(Q4)的源极，第二场效应管(Q4)的漏极接负电源；

所述第一场效应管(Q3)的源极互连第二场效应管(Q4)的源极后、通过输出电阻(R5)连接功率器件的栅极(G)。

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